CN108344534A - 一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置和方法 - Google Patents

一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置和方法，属于轴承测试技术领域。其方法是将试验轴承外圈与力矩传感器和双向气浮轴承内圈连接，试验轴承内圈与驱动系统主轴连接；给双向气浮轴承注入压缩空气，当气浮轴承状态监测器指示轴承支撑面间已完全分离后，伺服电机工作，带动试验轴承转动，根据码盘读取转速；第一伺服电动缸通过第一力传感器对双向气浮轴承施加径向载荷，第二伺服电动缸通过第二力传感器对双向气浮轴承施加轴向载荷，力矩传感器通过滑键与固定支架连接，测得不断变化的摩擦力矩。本发明可以施加轴向和径向载荷，符合轴承的实际应用状态，全面考核轴承的动态性能，还能应用在球轴承和圆柱滚子轴承的摩擦力矩测试中。

Description

一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置和方法
技术领域
本发明涉及一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置和方法，属于轴承测试技术领域。
背景技术
轴承摩擦力矩测试是高端轴承研发过程中的重要环节，是对轴承设计理论、材料技术和润滑技术评价与验证的必要手段。通过测量轴承的启动摩擦力矩和稳定运转摩擦力矩，可判断轴承摩擦表面的结构缺陷、轴承内部磨损、润滑剂异物颗粒污染状态等，还可用于在试制加工过程中的精度分析、实验前后的形貌和性能变化分析、失效模式分析等。
现有精密摩擦力矩测试仪器主要具有低转速小载荷高测量精度等特点，或以航天轴承应用测试为目标，主要用于高精度小尺寸轴承，并且测试时只能施加轴向载荷，无法施加径向载荷，与轴承的实际应用状态不符，不能全面考核轴承的动态性能，并且无法用于圆柱滚子轴承的摩擦力矩测试。为满足高端轴承的研制需求，在进行摩擦力矩测试的同时模拟实际变载情况，施加轴向载荷和径向载荷极其必要，并能够用于球轴承和圆柱滚子轴承摩擦力矩测试。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置和方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置，包括：机械系统、驱动系统、伺服加载系统、径向和轴向气浮加载系统、传感器系统、驱动控制系统和数据采集与分析系统，
所述机械系统对驱动系统、伺服加载系统、径向和轴向气浮加载系统、传感系统、驱动控制系统和数据采集与分析系统进行集成，
所述驱动系统带动试验轴承实现位置和转速可控的转动，
所述伺服加载系统与径向和轴向气浮加载系统实现对试验轴承轴向和径向的低摩擦低耦合加载，
所述传感器系统实现对试验轴承加载载荷和摩擦力矩的监测以及气浮轴承的状态监测，
所述驱动控制系统实现对试验轴承旋转速度与位置的控制以及复合加载载荷的控制，
所述数据采集与分析系统通过力矩传感器实现对复合载荷下轴承摩擦力矩的测量并将其转换成电信号并进行数据分析。
所述驱动控制系统包括伺服电机和码盘，所述伺服电机为试验轴承内圈提供转动力矩，所述码盘读取位置和转速。
所述传感系统包括力矩传感器和气浮轴承状态监测器，所述力矩传感器与试验轴承外圈固连，测量试验轴承内外圈转动所产生的摩擦力矩；所述气浮轴承状态监测器设置在双向气浮轴承上，检测气浮轴承内外圈支撑面是否保持分离状态。
所述伺服加载系统、径向和轴向气浮加载系统构成的加载系统由第一伺服电动缸、第一力传感器、径向加载头、轴向加载头、第二伺服电动缸和第二力传感器构成；其中，径向加载由第一伺服电动缸提供动力，通过第一力传感器实现加载力的闭环控制，将加载力通过低耦合径向加载头作用在双向气浮轴承上；轴向加载装置由第二伺服电动缸提供动力，通过第二力传感器实现加载力的闭环控制，将加载力通过低耦合轴向加载头作用在双向气浮轴承上；设在加载头前端的滚动体可自由滚动，消除了同时施加轴、径向载荷时的相互干扰，实现了低耦合加载；力矩传感器通过滑键与固定支架连接，从而在限制力矩传感器的旋转的同时，方便力矩传感器做轴向移动。
一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置的测试方法，按照下述步骤进行：
步骤一：安装试验轴承，确认试验轴承外圈与力矩传感器和双向气浮轴承内圈连接无误后，将试验轴承内圈与驱动系统主轴连接；
步骤二：给双向气浮轴承注入压缩空气，当气浮轴承状态监测器指示轴承支撑面之间已完全分离后，控制伺服电机开始工作，带动试验轴承转动，根据码盘显示读取转数；
步骤三：第一伺服电动缸为径向加载提供动力，通过第一力传感器将加载力通过低耦合径向加载头对双向气浮轴承不断施加载荷，第二伺服电动缸为轴向加载提供动力，通过第二力传感器将加载力通过低耦合轴向加载头对双向气浮轴承不断施加载荷，力矩传感器通过滑键与固定支架连接，即可测得不断变化的摩擦力矩。
本发明的有益效果为：
本发明不仅能够施加轴向载荷，还可以施加径向载荷，符合轴承的实际应用状态，全面的考虑了轴承的动态性能。
本发明能够应用在球轴承和圆柱滚子轴承的摩擦力矩测试中。
本发明设置有监测系统可以监测工作状态，防止因轴承内外圈气浮支撑面之间有短暂的接触导致实验结果的不准确。
本发明加载头前端设有自由转动的滚动体，可实现同时施加轴、径向载荷时由于摩擦力引起的相互影响，实现低耦合复合加载。
附图说明
图1为本发明一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置的结构示意图。
图中的附图标记，1为码盘，2为伺服电机，3为试验轴承，4为第一伺服电动缸，5为第一力传感器，6为径向加载头，7为轴向加载头，8为力矩传感器，9为滑键，10为第二伺服电动缸，11为第二力传感器，12为双向气浮轴承，13为气浮轴承状态监测器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1所示，本实施例所涉及的一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置，包括：机械系统、驱动系统、伺服加载系统、径向和轴向气浮加载系统、传感器系统、驱动控制系统和数据采集与分析系统，
所述机械系统对驱动系统、伺服加载系统、径向和轴向气浮加载系统、传感系统、驱动控制系统和数据采集与分析系统进行集成，
所述驱动系统带动试验轴承3实现位置和转速可控的转动，
所述伺服加载系统与径向和轴向气浮加载系统实现对试验轴承3轴向和径向的低摩擦低耦合加载，
所述传感器系统实现对试验轴承3加载载荷和摩擦力矩的监测以及气浮轴承的状态监测，
所述驱动控制系统实现对试验轴承3旋转速度与位置的控制以及复合加载载荷的控制，
所述数据采集与分析系统通过力矩传感器8实现对复合载荷下轴承摩擦力矩的测量并将其转换成电信号并进行数据分析。
所述驱动控制系统包括伺服电机2和码盘1，所述伺服电机2为试验轴承3内圈提供转动力矩，所述码盘1读取位置和转速。
所述传感系统包括力矩传感器8和气浮轴承状态监测器13，所述力矩传感器8与试验轴承3外圈固连，测量试验轴承3内外圈转动所产生的摩擦力矩；所述气浮轴承状态监测器13设置在双向气浮轴承12上，检测气浮轴承内外圈支撑面是否保持分离状态。
所述伺服加载系统、径向和轴向气浮加载系统构成的加载系统由第一伺服电动缸4、第一力传感器5、径向加载头6、轴向加载头7、第二伺服电动缸10和第二力传感器11构成；其中，径向加载由第一伺服电动缸4提供动力，通过第一力传感器5实现加载力的闭环控制，将加载力通过低耦合径向加载头6作用在双向气浮轴承12上；轴向加载装置由第二伺服电动缸10提供动力，通过第二力传感器11实现加载力的闭环控制，将加载力通过低耦合轴向加载头7作用在双向气浮轴承12上；设在加载头前端的滚动体可自由滚动，消除了同时施加轴、径向载荷时的相互干扰，实现了低耦合加载；力矩传感器8通过滑键9与固定支架连接，从而在限制力矩传感器8的旋转的同时，方便力矩传感器8做轴向移动。
一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置的测试方法，按照下述步骤进行：
步骤一：安装试验轴承3，确认试验轴承3外圈与力矩传感器8和双向气浮轴承12内圈连接无误后，将试验轴承3内圈与驱动系统主轴连接；
步骤二：给双向气浮轴承12注入压缩空气，当气浮轴承状态监测器13指示轴承支撑面之间已完全分离后，控制伺服电机2开始工作，带动试验轴承3转动，根据码盘1显示读取转数；
步骤三：第一伺服电动缸4为径向加载提供动力，通过第一力传感器5将加载力通过低耦合径向加载头6对双向气浮轴承12不断施加载荷，第二伺服电动缸10为轴向加载提供动力，通过第二力传感器11将加载力通过低耦合轴向加载头7对双向气浮轴承12不断施加载荷，力矩传感器8通过滑键9与固定支架连接，即可测得不断变化的摩擦力矩。
本实施例中，如图1所示，一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置包括：码盘1、伺服电机2、试验轴承3、第一伺服电动缸4、第一力传感器5、径向加载头6、轴向加载头7、力矩传感器8、滑键9、第二伺服电动缸10、第二力传感器11、双向气浮轴承12和气浮轴承状态监测器13。其中，码盘1与伺服电机2相连接，伺服电机2与试验轴承3相连接，力矩传感器8与试验轴承3外圈固连，试验轴承3外圈安装在双向气浮轴承12
上，气浮轴承状态监测器13设置在双向气浮轴承12上，第一伺服电动缸4与第一力传感器5连接，第一力传感器5通过径向加载头6与双向气浮轴承12连接，第二伺服电动缸10与第二力传感器11连接；第二力传感器11通过轴向加载头7与双向气浮轴承12连接，力矩传感器8通过滑键9与固定支架连接。
试验轴承3内圈的转动力矩由伺服电机2提供，转速由码盘1读取。试验轴承3外圈被力矩传感器8固连，当试验轴承3在一定载荷和转速下工作时，内外圈通过滚动体产生一定的摩擦力矩，由于试验轴承3外圈被力矩传感器8限位，所以力矩传感器8所测得的力矩即为内外圈转动所产生的摩擦力矩。力矩传感器8通过滑键9与固定支架连接，可以一定范围内带动试验轴承3和加载系统做轴向运动，从而实现试验轴承3的快速安装。将整个复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置水平放置，不仅可以实现对球轴承的力矩测量，也可实现对滚子轴承的力矩测量。
该装置装有一套由双向气浮轴承12支撑的低耦合复合加载系统，可以同时实现径向和轴向的伺服加载。分别设定径向与轴向的载荷，可以利用伺服机构实现两方向独立的自动加载。将试验轴承3外圈安装在双向气浮轴承12上，对双向气浮轴承12的外圈加载，可以将载荷传递到试验轴承3外圈上。径向加载装置由第一伺服电动缸4、第一力传感器5和径向加载头6组成，第一伺服电动缸4提供动力，通过第一力传感器5实现加载力的闭环控制，将加载力通过低耦合径向加载头6作用在双向气浮轴承12上；轴向加载装置由第二伺服电动缸10、第二力传感器11和轴向加载头7组成，第二伺服电动缸10提供动力，通过第二力传感器11实现加载力的闭环控制，将加载力通过低耦合轴向加载头7作用在双向气浮轴承12径上；力矩传感器8通过滑键9与固定支架连接，从而在限制力矩传感器8的旋转的同时，方便力矩传感器8做轴向移动。
径向加载装置对双向气浮轴承12的外圆面加载，轴向加载装置对双向气浮轴承12的侧面加载，由于双向气浮轴承12内外圈之间通过高压气体支承，气体润滑有极低的摩擦系数，所以力矩传感器8测量值可以认为只是测试轴承的摩擦力矩，从而实现了复合加载下轴承摩擦力矩的测试。
加载时摩擦力矩测试的关键是双向气浮轴承12的内外圈支撑面完全分离，压缩空气可以在工作开始前注入双向气浮轴承12，但在工作过程中，由于不断施加的载荷，以及实际工况中可能会出现的振动与冲击，可能会导致轴承内外圈气浮支撑面之间有短暂的接触，这会导致测试结果的不准确。所以在双向气浮轴承12上设置工作状态监测系统即气浮轴承状态监测器13，以确保试验过程中双向气浮轴承12内外圈支撑面始终保持分离状态。监测系统可以通过两支撑面间的电阻变化来表征工作状态，当测量电阻值为无限大时，表示支撑面间已完全分离，可以进行下一步的实验测试。
实施例1
工作前，安装试验轴承3，确认试验轴承3外圈与力矩传感器8和双向气浮轴承12内圈连接无误后，将试验轴承3内圈与驱动系统主轴连接。给双向气浮轴承12注入压缩空气，当气浮轴承状态监测器13指示轴承支撑面之间已完全分离后，控制伺服电机2开始工作，带动试验轴承3转动，根据码盘1显示读取转速与位置。
在实验过程中，径向加载由第一伺服电动缸4提供动力，通过第一力传感器5实现加载力的闭环控制，将加载力通过低耦合径向加载头6作用在双向气浮轴承12上；轴向加载装置由第二伺服电动缸10提供动力，通过第二力传感器11实现加载力的闭环控制，将加载力通过低耦合轴向加载头7作用在双向气浮轴承12上；力矩传感器8通过滑键9与固定支架连接，从而在限制力矩传感器8的旋转的同时，方便力矩传感器8做轴向移动。通过径向加载装置和轴向加载装置对双向气浮轴承12不断施加载荷，可以从力矩传感器8测得不断变化的摩擦力矩。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于，包括：机械系统、驱动系统、伺服加载系统、径向和轴向气浮加载系统、传感器系统、驱动控制系统和数据采集与分析系统，
所述机械系统对驱动系统、伺服加载系统、径向和轴向气浮加载系统、传感系统、驱动控制系统和数据采集与分析系统进行集成，
所述驱动系统带动试验轴承(3)实现位置和转速可控的转动，
所述伺服加载系统与径向和轴向气浮加载系统实现对试验轴承(3)轴向和径向的低摩擦低耦合加载，
所述传感器系统实现对试验轴承(3)加载载荷和摩擦力矩的监测以及气浮轴承的状态监测，
所述驱动控制系统实现对试验轴承(3)旋转速度与位置的控制以及复合加载载荷的控制，
所述数据采集与分析系统通过力矩传感器(8)实现对复合载荷下轴承摩擦力矩的测量并将其转换成电信号并进行数据分析。
2.根据权利要求1所述的一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于，所述驱动控制系统包括伺服电机(2)和码盘(1)，所述伺服电机(2)为试验轴承(3)内圈提供转动力矩，所述码盘(1)读取位置和转速。
3.根据权利要求1所述的一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于，所述传感系统包括力矩传感器(8)和气浮轴承状态监测器(13)，所述力矩传感器(8)与试验轴承(3)外圈固连，测量试验轴承(3)内外圈转动所产生的摩擦力矩；所述气浮轴承状态监测器(13)设置在双向气浮轴承(12)上，检测气浮轴承内外圈支撑面是否保持分离状态。
4.根据权利要求1所述的一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置，其特征在于，所述伺服加载系统、径向和轴向气浮加载系统构成的加载系统由第一伺服电动缸(4)、第一力传感器(5)、径向加载头(6)、轴向加载头(7)、第二伺服电动缸(10)和第二力传感器(11)构成；其中，径向加载由第一伺服电动缸(4)提供动力，通过第一力传感器(5)实现加载力的闭环控制，将加载力通过低耦合径向加载头(6)作用在双向气浮轴承(12)上；轴向加载装置由第二伺服电动缸(10)提供动力，通过第二力传感器(11)实现加载力的闭环控制，将加载力通过低耦合轴向加载头(7)作用在双向气浮轴承(12)上；设在加载头前端的滚动体可自由滚动，消除了同时施加轴、径向载荷时的相互干扰，实现了低耦合加载；力矩传感器(8)通过滑键(9)与固定支架连接，从而在限制力矩传感器(8)的旋转的同时，方便力矩传感器(8)做轴向移动。
5.基于权利要求1、2、3或4所述一种复合载荷下轴承摩擦力矩测试装置的测试方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤一：安装试验轴承(3)，确认试验轴承(3)外圈与力矩传感器(8)和双向气浮轴承(12)内圈连接无误后，将试验轴承(3)内圈与驱动系统主轴连接；
步骤二：给双向气浮轴承(12)注入压缩空气，当气浮轴承状态监测器(13)指示轴承支撑面之间已完全分离后，控制伺服电机(2)开始工作，带动试验轴承(3)转动，根据码盘(1)显示读取转数；
步骤三：第一伺服电动缸(4)为径向加载提供动力，通过第一力传感器(5)将加载力通过低耦合径向加载头(6)对双向气浮轴承(12)不断施加载荷，第二伺服电动缸(10)为轴向加载提供动力，通过第二力传感器(11)将加载力通过低耦合轴向加载头(7)对双向气浮轴承(12)不断施加载荷，力矩传感器(8)通过滑键(9)与固定支架连接，即可测得不断变化的摩擦力矩。
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